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鋰離子電池產品并非完美無缺

說到鋰離子電池大家肯定并不陌生,從能裝進褲兜里的手機、行駛在路上的汽車,再到用于電網能量儲存的基礎設施都能見到它的身影。

目前,全球的鋰離子電池產量已達到約160G瓦時的水平。這項革命性的技術使其三位主要開發者在2019年獲得了諾貝爾化學獎。

然而,鋰離子電池產品并非完美無缺。它價格偏高;有可能發生著火現象;依賴于越來越難以獲得的材料,如鈷和鎳。

電池專家一致認為,總有一天會出現更好的電池。這說的有可能就是鋰金屬電池。

其實,鋰金屬電池算是鋰離子電池的前輩。它于1970年代由時任艾克森石油公司的化學家的斯坦利·惠廷厄姆(Stanley Whittingham,2019諾貝爾化學獎得住之一)開發出來。

金屬鋰作為電池材料的一大優勢是,它很容易釋放電子和帶正電荷的鋰離子。理論上,如果電池體積不變,在搭載鋰金屬電池的情況下,電動汽車的續航里程將提升一倍。

但事實證明,惠廷厄姆的設計難以商業化,原因在于鋰有著高反應活性,通常鋰金屬箔與電解質會產生不良反應,從而導致電解質過熱,甚至出現燃燒現象。另外,用來做陰極的二硫化鈦也太貴。

一個3D孔的活性表面空間是一個2D電池的50倍

后來,惠廷厄姆和其他研究人員在鋰中加入了石墨,以此來降低其反應活性,并用更便宜的材料替換了陰極。于是,我們現在常用的鋰離子電池由此誕生。

帶有鋰金屬陽極的電池就此被當成了鋰離子電池發展道路上的一個有趣墊腳石。

不到十年前,來自麻省理工學院(MIT)的A123系統公司宣布破產,一定程度上是被這一不成熟技術拖了后腿,進而導致投資者對于電池技術的疑慮。

2013年1月2隨著氫能如火如荼的發展,諸如“氫能的獲取是有限的、困難的”“氫能是終極能源誤導公眾”“大規模用氫不切實際”等聲音也逐漸被提出。這些負面呼聲主要是基于目前氫能行業發展的一些現狀提出來的,比如大化工廠制氫依然有排放導致氫氣并不清潔、氫氣壓縮儲存等環節造成的用氫成本高、用氫難及建設加氫基礎設施的布局難等問題。

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雖然在氫能的發展中確實遇到了商業化難問題,但并不能否認“氫能是終極能源”。近日國際可再生能源機構發布了《氫能:可再生能源的前景》報告,肯定了氫能在未來能源結構中的重要價值,詳細分析了氫能用于能源脫碳的潛力。報告還指出,氫能正在全球范圍內快速發展,將在能源轉型中發揮關鍵作用,此外,未來通過可再生能源制取的氫氣(“綠氫”)將在全球能源轉型中發揮核心作用,綠氫還有助于增加對可再生能源發電的需求。首先,發展氫能有助于應對各種關鍵的能源挑戰。發展氫能可以為碳密集型部門(如交通運輸、化工和鋼鐵等)提供極具發展潛力的脫碳方法。氫能還可以幫助改善空氣質量并加強能源安全。此外,還可提高電力系統的靈活性。相比于儲能,氫燃料電池在供電時間的可持續性及成本等方面具有非常明顯的優勢,完全可以保障靈活性的用電需求。其次,氫在供應和使用方面具有多種途徑。氫是一種自由能源載體,可以由多種能源制備。常見工業生產氫的方式有水電解制氫、煤炭氣化制氫、天然氣及甲醇等水蒸氣催化轉化制氫等。除了大化工廠制氫方式,甲醇制氫在制氫的工藝上已實現了小型化,并可直接為燃料電池即時供氫。甲醇可以稱之為氫能轉化的最佳介質,其作為液體儲存和運輸的安全性和便捷性都是得天獨厚的,其儲氫重量密度高達12.5wt%,常溫常壓下的甲醇儲氫要明顯優于液化(多級壓縮且冷卻能耗巨大)、高壓(安全性無法保證)和其他儲氫技術。在我國缺油、少氣、相對富煤的能源結構下,甲醇不失為一種可以緩解我國能源結構緊張、提高資源綜合利用的替代能源。

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再次,發展氫能可以促進對可再生能源的利用。氫能可以幫助解決太陽能光伏等可再生能源的波動性輸出問題,實現風光氫電互補。氫氣是有效利用可再生能源的一種良好選擇,并且有望成為最經濟的方式,可在幾天、幾周、幾月甚至幾年實現不間斷電力供應。在通訊基站電源的應用場景上,水氫產業聯盟旗下企業廣東能態科技有限公司已經實現了水氫發電機(甲醇重整制氫系統與燃料電池發電系統進行高度集成的發電設備)作為主供電源,長時間不間斷為基站供電。未來水氫發電機將與太陽能光伏等間歇式能源進行匹配,實現水氫風光儲互補供電,提供更好的供電解決方案。8日,在美國首都華盛頓,外國投資委員會(CIFUS)正式批準,同意萬向集團收購A123。同樣源自MIT的SolidEnergy接管了A123閑置的設施,隨后開始以具備商業可行性的方式自主制造電池。

總部位于美國華盛頓州博塞爾的XNRGI公司也沒有放棄這個選項,目標是要將鋰金屬電池商業化并打入主流市場。

該公司研發團隊通過將金屬鋰沉積到涂有薄膜的硅襯底上,并蝕刻數以百萬計的微小孔洞,成功地抑制了金屬鋰的反應活性。

與傳統的鋰離子二維陽極相比,金屬鋰電池的三維基底大大增加了陽極的表面積。“使用金屬鋰陽極的容量是傳統石墨層間化合物的十倍。”XNRGI公司CEO克里斯·德庫托(Chris D’Couto)說道。

該公司預計2020年開始批量生產鋰金屬電池,供應給制造電動車和消費電子產品的客戶。

XNRGI還瞄準了電網存儲市場。2019年,它與加拿大初創公司Cross Border Power簽署協議,成立了一家合資企業,主要業務正是將其電池分銷給北美的公用事業機構。

當然,關于新電池技術的新聞從來就沒斷過,其中不乏有人說自己的研究是“革命性的,可以顛覆整個市場”。但相對而言,在實驗室里看起來很有前途的電池,到了真正投入市場時卻少之又少。

“這取決于你要滿足多少個指標。”阿貢國家實驗室儲能專家文卡特·斯里尼瓦桑(Venkat Srinivasan)解釋說,“如果是用于電動車,理想的電池應滿足續航里程為幾百公里、充電時間以分鐘為單位、工作溫度范圍廣泛、使用壽命達10年、碰撞安全等條件。當然,成本也要降下來。”

“考慮的指標越多,讓一項新的電池技術商業化就越困難,所以需要妥協。比如,想讓電池使用10年以上,那行駛里程可能就有限,充電速度也不會很快。”他補充說,“還有一點是,行業只希望看到至少與現有電池一樣好的產品。”

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